Високовольтові вимикачі SF₆ є найширше використовуваним обладнанням у підстанціях. Регулярна перевірка та технічне обслуговування цих вимикачів є важливими для забезпечення стабільної роботи електроенергетичної системи. Однак, у сфері обслуговування підстанцій, особливо при обслуговуванні високовольтових вимикачів SF₆, існує багато небезпечних точок (таких як отруєння, електричний удар тощо), що серйозно загрожують особистій безпеці працівників. На основі цього, ця стаття аналізує ситуацію з точки зору розташування та технологій безпекового контролю, спрямованих на покращення безпеки операцій обслуговування підстанцій та зменшення кількості аварій.
1 Аналіз принципів роботи та характеристик
1.1 Фізичні та хімічні властивості газу SF₆
Молекула SF₆ складається з одного атома сульфуру та шести атомів фтору, з атомною масою 146,06, що на 5,135 разів важча за повітря. При температурі нижче 150°C, газ SF₆ демонструє добре хімічну неактивність і не вступає в хімічні реакції з типовими металами, пластмасами та іншими матеріалами, що використовуються у вимикачах. Тому він вважається безбарвним, беззапахним, нетоксичним та прозорим невгорючим газом, який загалом важко розкладається (нерозчинний у трансформаторному маслі та мало розчинний у воді). Проте, через відкриття та закриття вимикачів, газ SF₆ частково розкладається під дією розряду та дуг, утворюючи продукти розкладу у газо- або порошкоподібному стані, такі як металеві фториди, SOF₂, SO₂F₄ тощо, які надзвичайно шкідливі для людини. Серед них, газ SF₆ розкладається та дисоціюється під дією дуг (молекули з поліатомною структурою розпадаються на окремі атоми або заряджені частинки газу), а внутрішні зміни посилюють його теплову та електричну провідність.
1.2 Принцип роботи високовольтових вимикачів SF₆
Вимикач SF₆ складається з трьох вертикальних фарфорових ізоляційних блоків, кожен з яких має камеру газового потоку для гасіння дуги. Цей дизайн робить вимикач компактним, але з одночасним збереженням гарної ізоляції та характеристики гасіння дуги. Камера газового потоку для гасіння дуги є ключовим компонентом високовольтового вимикача SF₆, і вона заповнюється газом SF₆ через труби, які з'єднують три камери гасіння дуги. Коли вимикач відкривається, управлювані контакти відокремлюються від нерухомих контактів, утворюючи дугу. В цей час, газ SF₆ у камері гасіння дуги швидко подуває на дугу через труби, використовуючи ізоляційні та гасальні властивості газу для швидкого гасіння дуги. Крім того, пружинний механізм та однокорпусне контрольне обладнання є ключовими компонентами для керування та контролю руху контактів високовольтового вимикача SF₆. Зазвичай воно складається з пружин, зв'язуючих валів, передавальних механізмів, мікропроцесорів або програмованих логічних контролерів. Коли вимикач потрібно відкрити або закрити, контрольне обладнання виділяє команду, щоб пружинний механізм працював і переміщував рухомий контакт відповідно.
1.3 Характеристики високовольтових вимикачів SF₆
Порівняно з повітрям та трансформаторним маслом, газ SF₆ має високу ізоляційну стійкість, відмінну характеристику гасіння дуги та малу об'ємну масу, що дає широкі перспективи для застосування у високовольтовій енергетиці.
- Заблокований ефект: Повний використання ефекту продування газового потоку. Камера гасіння дуги має невеликий розмір, просту конструкцію, велику пропускну здатність, короткий час горіння дуги, немає повторного запалення при розімкненні ємкісного або індуктивного струму, низьке надлишкове напругу.
- Довгий електричний термін служби: Може постійно розімкнення 19 разів при повній потужності 50кА, з кумулятивним струмом розімкнення 4200кА, довгий цикл обслуговування, підходить для часто використовуваних сценаріїв.
- Висока ізоляційна стійкість: Газ SF₆ може пройти різні ізоляційні тестування з великим запасом при 0,3МПа. Після досягнення кумулятивного струму розімкнення 3000кА, кожен розімкнений порт може витримати мережеве напругу 250кВ протягом 1 хвилини при 0,3МПа, і все ще може витримати мережеве напругу 166,4кВ, коли тиск газу SF₆ знижується до нульової відносної тиску.
- Добра герметичність: Вміст води у газу SF₆ є відносно низьким. Камера гасіння дуги, резистори та підтримки можуть бути розділені на окремі газові секції, щоб запобігти проникненню бруду та вологи всередину вимикача.
- Невелика операційна потужність та плавний буфер: Співвідношення передачі між робочим циліндром механізму та контактами гасіння дуги становить 1:1, а механізм має стабільні характеристики. Стабільність характеристик механізму може досягати 3000 разів (10000 разів у тестовому середовищі), а рівень шуму менший за 90дБ.
2 Аналіз небезпечних точок на місцях обслуговування підстанцій
2.1 Типи та характеристики небезпечних точок
Небезпечні точки на місцях обслуговування підстанцій включають в основному чотири типи: електричні, механічні, хімічні небезпеки та фактори середовища. Ці небезпечні точки можуть прямо або опосередковано загрожувати особистій безпеці обслуговуючого персоналу.
- Електричні небезпеки: Викликані пошкодженням ізоляції обладнання або помилками в управлінні, вони проявляються як високе напруга та дуги. Оскільки вимикач працює під високим напругом і має ємкісні та індуктивні ефекти, залишки заряду можуть залишатися навіть у відкритому стані, що може призвести до електричних травм. Дуги можуть генерувати високі температури та викликати пожежі.
- Механічні небезпеки: Небезпеки в основному походять від механічних компонентів обладнання. Якщо не правильно оперувати та обслуговувати, можна защемити або побити обертовими або рухливими частинами.
- Хімічні небезпеки: Газ SF₆ стабільний при кімнатній температурі, але починає розкладатися під дією дуг, корони тощо. Вдихування утвореного газу може спричинити головокружіння, пульмонічний едем, або навіть смерть.
- Небезпеки середовища: Виконання обслуговування в погодних умовах, таких як грози та сильний вітер, не лише збільшує складність роботи, але й призводить до непередбачуваних ризиків для обслуговуючого персоналу. Крім того, проблеми, такі як погана вентиляція та мала площа, можуть збільшити небезпеку на місці обслуговування.
2.2 Аналіз причин небезпечних точок
Причини небезпечних точок на місцях обслуговування підстанцій включають фактори, пов'язані з обладнанням, людиною та середовищем. Зі зростанням кількості операцій обслуговування, ступінь зношеності обладнання зростає, що призводить до зниження електричних характеристик та збільшення ризику аварій.
У зв'язку з нерівномірною якістю обслуговуючого персоналу, деякі з них не мають достатньої знайомості з конструкцією та принципами роботи обладнання, і можуть бути неуважними під час фактичних операцій. Наприклад, через недостатню бдительність, персонал може ненавмисно торкнутися живих частин або неправильно використовувати інструменти, що може безпосередньо викликати аварії.
Для вимикачів SF₆, небезпеки в основному походять від їх хімічних властивостей. Токсичні речовини, що утворюються у певних умовах, можуть накопичуватися всередині приміщення через обмеження середовища, що ще більше збільшує рівень небезпеки.
3 Методи визначення небезпечних точок та технології безпекового контролю
3.1 Методи визначення небезпечних точок
- Технологія волоконно-оптичного зондування: Технологія волоконно-оптичного зондування має відмінні ізоляційні характеристики та здатність до протидії електромагнітній інтерференції. Вона може ефективно моніторити структурне здоров'я та електричні параметри вимикачів SF₆, збирати та аналізувати дані в реальному часі, швидко виявляти потенційні вади та небезпечні фактори.
- Бездротова сенсорна мережа: Бездротова сенсорна мережа складається з великої кількості сенсорних вузлів. Її основна мета - моніторинг екологічних параметрів, стану обладнання та інформації про розташування обслуговуючого персоналу в реальному часі. Мережа має характеристики самоорганізації, самоадаптації та протидії інтерференції, може адаптуватися до складних та змінних умов на місці, реалізовуючи реальний моніторинг та визначення небезпечних точок.
- Технологія машинного зору та інфрачервона термографія: Технологія машинного зору може ідентифікувати та визначати потенційні небезпечні точки, такі як відкриті кабелі та пошкоджене обладнання, захоплюючи та аналізуючи зображення на місці; інфрачервона термографія може моніторити розподіл температури обладнання в реальному часі та точно визначати місця виникнення вад та потенційних ризиків.
3.2 Прогнозна модель небезпечних точок на основі аналізу даних
На даний момент, інтелектуалізація, цифровізація, автоматизація та інтеграція є основними тенденціями електроенергетичної системи України, а застосування технологій штучного інтелекту та великих даних прискорило цей процес. Під час обслуговування вимикачів SF₆, створюється прогнозна модель небезпечних точок на основі аналізу даних, яка включає чотири кроки: збор даних, передобработка даних, інженерія ознак та тренування моделі.
- Збор даних: Отримується за допомогою різних датчиків, журналів моніторингу обладнання тощо. Для покращення точності моделі, слід збирати якомога більше комплексних даних.
- Передобработка даних: Передобработка первинних даних (виявлення та обробка викидів, перетворення даних тощо) для підвищення якості даних та створення основи для наступної інженерії ознак та тренування моделі.
- Інженерія ознак: Після завершення передобработки, необхідно вибрати корисні ознаки для прогнозування небезпечних точок з великої кількості даних. Ці ознаки повинні мати хорошу дискримінаційну та прогнозну здатність для підвищення точності моделі.
- Тренування моделі: SVM (Support Vector Machine) є поширеним методом класифікації та регресійного аналізу. Він розділяє різні категорії даних, знаходячи оптимальну гіперплощину, що максимізує інтервал між двома типами даних.
3.3 Стратегії безпекового контролю
Для підвищення точності та практичності технологій визначення, слід використовувати технології великих даних та штучного інтелекту, а також застосовувати алгоритми машинного навчання для інтелектуального визначення та прогнозування небезпечних точок на місцях обслуговування підстанцій, надаючи більш точну інформацію про розташування для обслуговуючого персоналу та зменшуючи ризик аварій. На місцях обслуговування підстанцій, дані з різних датчиків слід об'єднувати для підвищення точності визначення та точності моделі. Застосування технології розширеної реальності (AR), яка інтегрує віртуальну інформацію з реальним світом, може допомогти обслуговуючому персоналу краще зрозуміти конструкцію обладнання, таким чином вирішуючи проблему помилок у управлінні. Відповідні сторони повинні посилити керування роботою на місцях обслуговування та строго дотримуватися процедур управління (див. Рисунок 1). Водночас, слід розробити інтелектуальні носільні пристрої для обслуговуючого персоналу, щоб отримувати інформацію про їх розташування в реальному часі та моніторити їх в реальному часі, забезпечуючи безпеку.
4 Висновок
На місцях обслуговування підстанцій, точне визначення та локація небезпечних точок є ключовим для забезпечення безпеки місць обслуговування вимикачів SF₆. Через глибоке дослідження принципів роботи та характеристик вимикачів SF₆, було встановлено, що хімічні фактори є основними незневажливими небезпечними точками під час їх обслуговування. Для ефективної боротьби з ризиками, слід використовувати нові технології, концепції та методи для попередньої профілактики, прогнозування потенційних ризиків та надання ранньої інформації про попередження для обслуговуючого персоналу, щоб забезпечити гладке проведенні робіт з обслуговування.
